Износостойкое покрытие инструмента PVD и CVD

Posted By: Дмитрий Михайлович 26.05.2019

Покрытие PVD

На протяжении всей история развития инструментального производства стояла задача повышения износостойкости и скорости металлообработки, а как следствие снижение себестоимости продукции.

Особенно остро задача повышения стойкости инструмента, встала в связи с появлением новых видов материалов высокопрочных жаростойких сплавов, композитных материалов.

Одним из путей решения задачи повышения стойкости твёрдосплавных фрез и свёрл (металлорежущего инструмента) является нанесение упрочняющего слоя на уже готовые свёрла, фрезы и пластины.

Основные свойства покрытий

В наши дни для увеличения износостойкости режущего инструмента, деталей машин, зуборезного инструмента, твёрдосплавных свёрл и фрез применяются высокотехнологичные покрытия. Они обеспечивают устойчивость инструментов к воздействию таких факторов как:

  • Быстрому износу (износостойкость);
  • Силы трения (антифрикционность);
  • Высокой температуре (термостойкость);
  • Коррозии (коррозийностойкость);
  • Уменьшают адгезию (антиадгезионность).

Увеличение прочности и стойкости концевой фрезы – это не единственное достоинство покрытий. Применение осевого режущего инструмента с износостойким покрытием представляет для производственных предприятий следующие выгоды:

  • Сокращение производственного цикла;
  • Рост производительности предприятия;
  • Уменьшение себестоимости продукции;
  • Увеличение чистой прибыли компании;
  • Освобождение ресурсов.

Области применения

Применение нано-композитных покрытий нашло широкое применение во многих отраслях промышленности.

  • Режущий инструмент для металла, дерева, бумаги, пластмасс, композиционных материалов;
  • Детали машин, испытывающие трение и износ;
  • Зуборезный инструмент: модульные дисковые фрезы, червячные фрезы, резцы для зуборезных головок;
  • Формообразующие штампы и пресс-формы;
  • Литьевые формы для сплавов цветных металлов, алюминия, пластмасс и резины.

Покрытие CVD

С начала использования твёрдосплавного инструмента производители увеличивали износостойкость и прочность путём добавления в состав металла небольшое количество карбида титана (TiC). Данный сплав давал ожидаемый результат, но ценой уменьшения прочности и увеличения хрупкости инструмента. В какой-то момент повышение концентрации TiC в сплаве становилась настолько высокой, что эффект становился обратным и инструмент становился менее стойким и более хрупким.

В 1970 году проблема хрупкости твёрдосплавного инструмента была решена путём создания тонкой плёнки TiC на поверхностях и режущих кромках инструмента что позволило, не изменяя внутренней структуры твёрдого сплава повысить стойкость и скорость обработки. Дальнейшее развитием этой идеи стало применение в качестве материала покрытия нитрида титана (TiN) и оксида алюминия (Al2O3).

Основные свойства указанных покрытий:

  • Карбид титана TiC – повышает износостойкость твёрдосплавного инструмента и предотвращает образование сколов
  • Нитрид титана TiN – предотвращает формирование заусенцев и налипание обрабатываемой заготовки на режущую кромку, повышая качество обработки поверхности
  • Оксид алюминия Al2O3 – значительно увеличивается стойкость к высоким температурам и препятствует критическому нагреву инструмент так как является хорошим термоизолятором

В основе данного метода нанесения покрытия лежит процесс, происходящий в камере в которой поддерживается высокая температура (до 1200 градусов Цельсия). Материал покрытия подаётся в паровом агрегатном состоянии и под действием высокой температуры вступает в реакцию с поверхностным слоем металлорежущего инструмента или детали (заготовки). Данный процесс получил название – химическое осаждение из парового агрегатного состояния (СVD – Chemical Vapor Deposition).

Преимущества покрытия CVD

Не смотря на очевидные преимущества данного метода:

  • относительная простота и дешевизна процесса;
  • возможность создания покрытий необходимой толщины;
  • возможность создания многослойных покрытий с уникальными свойствами и большим количеством комбинаций этих слоёв. В каталогах некоторых производителей можно найти в доступных к заказу до 18 типов покрытий для каждого инструмента.

Недостатки покрытия CVD

К недостаткам данной технологии относят:

  • сильный нагрев инструмента в процессе нанесения покрытия для получения удовлетворительной адгезии наносимого материала к инструменту, под влиянием сильного нагрева прочность основного материала инструмента из твёрдого сплава снижается. Возникает риск образования хрупких фаз;
  • химикаты используемые для процесса покрытия инструмента и побочные продукты являются токсичными, огнеопасными и разъедающими веществами;
  • не смотря на относительную низкую удельную стоимость процесса некоторые изготовители инструмента и твёрдосплавных пластин удерживают цену продукции на обосновано высоком уровне.

Покрытие PVD

Другая широко используемая технология нанесения упрочняющих покрытий – физическое осаждение из паровой фазы (PVD – Physical Vapor Deposition).

Принципиальными отличиями нанесения покрытия PVD является технологический процесс и физические явления, лежащие в основе этого метода. При физическом методе нанесения покрытия материал переходит из твёрдого состояния в газовую фазу в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счёт кинетической энергии столкновения частиц материала. Затем пучок полученной газовой фазы материала при помощи электромагнитного поля транспортируется к режущему инструменту, нагретому до температуры, не превышающей 500 градусов Цельсия, где ионизированный материл сталкивается и равномерно конденсируется на режущем инструменте.

На сегодняшнем этапе развития, промышленное применение нашли несколько методов физическое осаждения из паровой фазы различающие способом получения газовой фазы материала покрытия.

  • Резистивный нагрев;
  • Индукционный нагрев;
  • Низковольтная дуга;
  • Катодно-дуговое испарение;
  • Лазерный луч.

Основные типы покрытий PVD и их свойства

  • Нитрид титана TiN (Titanium Nitride) – предотвращает формирование заусенцев и налипание обрабатываемой заготовки на режущую кромку, повышая качество обработки поверхности. Универсальное покрытие для обработки чугуна и низкоуглеродистых сталей. Увеличивает срок службы инструмента, выступая в качестве механического, термического и химического барьера между инструментом и заготовкой. Хорошая недорогая альтернатива AlTiN в приложениях с низкой производительностью.
  • Карбонитрид титана TiCN (Titanium Carbon Nitride) – повышает производительность инструмента по сравнению с покрытием нитрида титана благодаря более высокой скорости подачи и скорости. Применяется, в случаях, когда нельзя использовать AlTiN, например, в приложениях, где недопустимые высокие скорости и подачи режимов резания, но необходима защита инструмента от высоких температур резания.
  • Алюминий Титан Нитрид AlTiN (Aluminum Titanium Nitride) – покрытие с уникальной нанокомпозитной структурой, которая значительно повышает твёрдость, термостойкость и сопротивление ударным нагрузкам. Превосходные результаты испытаний, которые однозначно указывают на увеличение срока службы инструмента и сокращение времени циклов металлообработки.
  • Алюминий Хром Нитрид AlCrN (Aluminum Chromium Nitride) – отличается уникальной нанокристаллической решёткой, которая значительно увеличивает твёрдость и жаропрочность. Предназначено для равномерного износа и сопротивления сколам, благодаря высокой термостойкости и высокой производительности в сложных условиях и прерывистых режимах резания, с охлаждающей жидкостью и без.

Преимущества покрытия PVD

  • Плюсом метода PVD является нанесение тугоплавкого материала при относительно низкой температуре и, следовательно, более щадящий режим воздействия на металл, из которого изготовлено твёрдосплавное сверло. Фреза или пластина сборного инструмента (прочность остаётся практически неизменной).
  • Другим преимуществом является небольшая толщина слоя при равных эксплуатационных характеристиках. Это позволяет сохранять острую режущую кромку (небольшой радиус закругления режущей кромки), что особенно важно для чистовых режимов обработки и обработки с повышенными требованиями к точности и жёсткими допусками на размеры.

Недостатки покрытия PVD

  • Процесс физического осаждения в вакууме является несравнимо более дорогим со сложным технологическим процессом и аппаратурой, требующей дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала, однако результат легко окупается особенно для приложений, которые требуют высокой точности.

CVD или PVD

В первую очередь защитные напыления CVD и PVD отличаются толщиной.

CVD покрытия значительно толще покрытий PVD. Большая толщина является плюсом при обработке чугунов и легированных сталей.

Тонкие PVD покрытия (толщина как правило не превышает 2-5 мкм) незаменимы для обработки нержавеющих, жаростойких и низкоуглеродистых сталей, композиционных материалов.

Кроме того, различия заключаются и в структуре самого покрытия:

  • У покрытия CVD – структура среднезернистая, крупные зерна упрочняющего покрытия обеспечивают устойчивость к сильным вибрациям и ударам, но ограничивают применение указанного покрытия для точных и чистовых режимов резания;
  • У покрытия PVD – тонкая микрозернистая структура, зерна покрытия имеют размер меньше 1мкм, что делает это вид покрытия безальтернативным для чистовых режимов обработки, а также идеальным решение для повышения износостойкости специального высокоточного инструмента (например, ёлочных фрез для обработки пазов для турбинных лопаток).

Теги: Покрытие, PVD,

Заказать БЕСПЛАТНУЮ заточку инструмента или покрытие PVD
Оставить заявку